拡散と流出

気体分子は非常に高速（毎秒数百メートル）で移動するが、他の気体分子と衝突し、目的のターゲットに到達する前にさまざまな方向に移動します。 室温では、気体分子は毎秒数十億の衝突を経験します。 平均自由行程とは、分子が衝突の間に移動する平均距離です。 平均自由行程は圧力が低いほど長くなり、一般に、気体分子の平均自由行程は分子の直径の数百倍になります。

一般的に、気体試料が密閉容器の一部に導入されると、その分子は非常に素早く容器全体に分散します。このような濃度の違いに応じて分子が空間内で分散する過程を拡散と呼びます。 もちろん、気体の原子や分子は濃度勾配を認識しません。単にランダムに移動するだけで、濃度の高い領域は濃度の低い領域よりも粒子が多いため、高濃度から低濃度領域への正味の移動が発生します。 密閉された環境では、拡散によって最終的に気体の濃度が均等になります。 気体原子と分子は移動し続けますが、両方のバルブの濃度が同じであるため、バルブ間の移動速度は等しくなります（分子の正味の移動はない）。 単位時間あたりに一部の領域を通過する気体の量が、拡散率です。

拡散率は、濃度勾配（ある地点から別の地点への濃度の増減）、拡散可能な表面積の量、および気体粒子が移動する必要がある距離など、いくつかの要因に依存します。

拡散と同じように気体が移動する過程として、気体分子が小さな穴（バルーンのピンホールなど）を通って真空に放出される「流出」があります。 拡散と流出の速度は、どちらも関与する気体のモル質量に依存するが、その速度は等しくありません。ただし、その速度の比率は同じです。

浸透性の壁を持つ容器に気体の混合物を入れると、気体は壁の小さな開口部を通って排出されていきます。 軽い気体は、重い気体よりも（高い速度で）小さな開口部をより速く通過します。 1832 年、トーマス・グラハムはさまざまな気体の流出率を調査し、グレアムの流出法則を制定しました。ガスの流出率は、その粒子の質量の平方根に反比例します。

これは、 2 つの気体 A と B が同じ温度と圧力である場合、その流出率の比は、粒子の質量の平方根の比に反比例することを意味します。

この関係性はより軽い気体がより高い流出率を有すことを示します。

例えば、ヘリウム充填されたゴム製バルーンは、空気が充填されたバルーンよりも速く収縮します。これは、ゴムの孔を通る流出の発生率が、空気分子よりも軽いヘリウム原子の方が速いためです。

この文章は 、 Openstax 、 Chemistry 2e 、 Section 9.4 ： effusion and Diffusion of gases に基づいています。